Energiatehokkaan pientalon suunnitteluperiaatteita
Energiatehokkuus on vain yksi rakennuksen ominaisuuksista. Energiatehokkuuden lisäksi on aina huomioitava myös arkkitehtuuri, hyvä arkkitehtuuri on kestävää, kaunista ja käyttökelpoista. Kestävyys tarkoittaa myös terveellistä, turvallista ja riskitöntä rakennusta.
Rakennus on systeemi. Systeemiä ei voi optimoida optimoimalla sen yksittäisiä osasia.
Useat eri ominaisuudet vaikuttavat rakennuksen energiatehokkuuteen, samat ominaisuudet vaikuttavat myös rakennuksen arkkitehtuuriin.
Rakennus suunnitellaan aina ihmisille ja johonkin käyttöön ja tiettyyn paikkaan.
Energiatehokas ja arkkitehtonisesti korkeatasoinen rakennus suunnitellaan aina tapauskohtaisesti, tilaohjelma, paikan henki ja olosuhteet huomioiden.
1 Sijainti ja paikka
Sääolot vaikuttavat energiankulutukseen, passiivisen aurinkoenergian määrään
Huomioitava:
– Lämpötila, aurinkoenergian määrä ja kulma (riippuu leveysasteesta)
– Paikan mikroilmasto; tuuli, auringon valo ja lämpö, sade, pakkanen, lumi, routa
1.2 Ilmansuunnat
Vaikuttavat oleellisesti tilojen sijoitteluun
Vaikuttavat passiivisen energian määrään rakennuksessa ja tontilla
Huomioitava:
– Vaikuttavat tilojen ja piha-alueiden sijoitteluun sekä paikan mikroilmastoon
– Sisätilat tulisi sijoitella huomioiden niiden valaistus- ja lämmitystarve eri aikaan vuorokaudesta
– Mitä enemmän sisätilat saavat aurinkoenergiaa talvella, sitä vähemmän tiloja pitää lämmittää
– Etelään, kaakkoon ja lounaaseen sijoitetaan tilat jotka tarvitsevat eniten auringonvaloa ja joita käytetään jatkuvasti.
– Tilat jotka tarvitsevat vähiten lämpöä ja valoa, (käytävät, kodinhoitohuoneet, autotallit, varastot jne) sijoiteltuna rakennuksen pohjoisseinälle toimivat myös puskurivyöhykkeenä lämmitettyjen tilojen ja pohjoisseinän välissä
– Isot ikkunat etelän ja lännen suunnassa: talvella hyödynnettävää energiaa, kesällä huomioitava ylikuumeneminen; muuneltavat varjostimet
– Käytettävät ulkotilat eri vuorokauden- ja vuodenaikoihin
Tilojen sijoittelu ilmansuunnittain
Kuva: Edward Mazria:The Passive Solar Energy Book
1.3 Maastonmuodot
Vaikuttavat rakennuksen muotoon, pihajärjestelyihin, pintavesien poistoon, tontin mikroilmastoon, perustamistapaan
Huomioitava:
– Maastonmuodot rakennuksen muodon lähtökohtana, porrastettu talo loivaan rinteeseen, rinnetalo jyrkkään rinteeseen, tasamaatontille tasamaatalo.
Vaikuttaa tilojen sijoitteluun:
– Tilojen liityttävä pihatasoihin ja maanpinnan korkoihin, mahdolliset porrastukset huonetiloissa
Vaikuttaa perustamistapaan:
– Perustamisolosuhteet, kellarillinen perustus, rossipohja, maanvarainen laatta’
1.4 Ympäristö ja maisema
Ympäristö vaikuttaa maisemaan
Maisema vaikuttaa tilojen sijoitteluun
Huomioitava:
– Maiseman ilmasuuntaa ei aina voi valita
– Oleskelutilat pyrittävä avaamaan parhaisiin näkymiin, maisema vaikuttaa siis rakennuksen suuntaukseen
– Huomioitava näkymät sisältä ulos mutta myös näkymät ulkoa sisälle
– Rakennusten sijoittuminen toisiinsa
– Ympäristön varjostus
1.5 Tontin muoto ja koko, rakennusalueen sijainti tontilla, liittymän sijainti, kaava
Vaikuttavat rakennuksen muotoon, kokoon, aukotukseen, suuntaukseen
– Optimaalinen rakennus suunnitellaan kullekin tontille tilannekohtaisesti
– Optimaalinen kaava huomioi tontin olosuhteet
–>Vaikuttaa rakennuksen sijoitteluun tontilla
– Liittymä ideaalisin pohjoispuolella, jolloin piha jää etelänpuoleiselle takapihalle
– Lähestyminen huomioitava niin että siitä tulee mahdollisimman sujuva, toimiva ja miellyttävä
– Piha-alueiden mikroilmasto
– Liikennejärjestelyt tontilla
Energiatehokkuuteen vaikuttavat tekijät ovat riippuvaisia toisistaan
2 Arkkitehtuuri
2.1 Rakennuksen tilajärjestelyt
Vaikuttaa rakennuksen kokoon, muotoon, ikkunoiden kokoon ja suuntaukseen
–>passiivisen aurinkoenergian määrään, johtumishäviöihin, energiankulutukseen
Ovat riippuvaisia paikasta, ilmansuunnista, tontin koosta ja muodosta, tilaajasta ja kaavasta
Huomioitava:
– Optimaaliset tilajärjestelyt ilmasuuntien, sisäisen ja ulkoisen liikenteen sekä tilojen toimivuuden kannalta.
– Tilojen muunneltavuus ja monikäyttöisyys.
– Puolilämpimät tilat ja niiden käyttö “puskurivyöhykkeenä” kuten viherhuoneet ja kuistit
– ”Kuumenevien” tilojen keskeinen sijoittelu ”lämpösydämeksi”
– Ilman optimaalinen kierto huonetiloissa. Lämpimän ilman kierrätys ja ylilämmön hyödyntäminen sekä tuuletusmahdollisuus
– Märkätilojen sijoittelu keskitetysti, putkivetojen määrän minimointi
– Tilajärjestelyt ovat riippuvaisia paikasta, ilmansuunnista ja maastonmuodoista
ks. Paikka ja sijainti, ilmasuunnat
2.2 Rakennuksen muoto
Vaikuttaa vaipan alaan, kylmäsiltojen määrään
–> johtumishäviöiden määrään, passiivisen aurinkoenergian määrään
Huomioitava energiatehokkuuden kannalta:
– Yksinkertainen muoto johtaa pienempään vaippaan ja pienempiin lämpöhäviöihin ja pienempään materiaalimäärään
– Nurkkien myötä kylmäsillat lisääntyvät, myös mahdolliset vuotokohdat
– Optimaalinen muoto tarvitsee vähiten lämmitysenergiaa talvella ja kerää mahdollisimman vähän lämpöä kesällä
– Itä – länsisuuntaisesti pitkittäinen rakennus mahdollistaa mahdollisimman suuren ikkunapinnan etelään
– Suorakaide on tehokkain muoto vähentämään lämmitystarvetta talvella ja jäähdytystarvetta kesällä.
– Optimaalinen muoto on itä-länsisuuntaisesti venytetty suorakaiteen muotoinen rakennus joka toimii tehokkaimmin sekä talvella että kesällä
– Rakennuksen muodossa huomioitava auringonsäteilyn osuminen sisätiloihin
– Vaipan ala suhteessa tilavuuteen, ns. muotokerroin.
Huom! Ei yksiselitteistä, A/V kasvaa mitä pienempi rakennus. Vain samankokoiset rakennukset ovat vertailukelpoisia. Ns. “muotokerroin” ei aina ole tarkoituksenmukainen mittari.
Muotokerroin arviontimenetelmänä
Onko isompi pallo ”parempi” muoto?
Isompi pallo on muotokertoimeltaan parempi.
Muotokerroin on vertailukelpoinen vain kun tilavuus on sama!
Huomioitava arkkitehtuurin kannalta:
– Muoto ei ole vain energiatehokkuutta, se vaikuttaa myös tilojen sijoitteluun ja toimivuuteen, rakennusmassaan, arkkitehtoniseen kokonaisuuteen, sen esteettisyyteen, rakennuksen soveltuvuuteen tontille jne.
– Muodolla voidaan saada aikaan tilallista ja toiminnallista hyötyä, jota ei kompensoi vähentynyt vaipan määrä
– Form follows function!
Tilojen sijoittelu erimuotoisissa pientaloissa.
Muoto on myös toiminnallinen kysymys!
Muoto on myös esteettinen kysymys!
2.3 Rakennuksen koko
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen, energiatehokkuuteen (E-lukuun)
Huomioitava laskennassa:
– Energiankulutus jataan lämmitetyllä nettoalalla, mukana myös puolilämpimät tilat
– Mitä isompi rakennus, sen enemmän kuluu energiaa tilojen lämmittämiseen. Toisaalta sen parempi energiatehokkuus (tai E-luku)!
– Pienestä talosta vaikeampi saada laskennallisesti energiatehokas (pienempi jakaja), jolloin energiatehokkuus ”näyttää” huonommalta
– Koko määrittelee sisäiset lämpökuormat henkilöistä, laitteista yms.
– Koko määrittelee käyttöveden kulutuksen (120 m² asti)
Kun pinta-ala ja tilavuus kaksinkertaistuvat, ulkoseinät 1,66 kertaistuvat. Tämä aiheuttaa suhteessa pienemmät lämpöhäviöt neliölle
Huomioitava suunnittelussa:
– Koon vaikutus muotoon ja tilojen järjestelyyn, “muuttujat” kasvavat. Iso tilaohjelma vaatii ehkä ”mutkikkaamman” muodon toimiakseen optimaalisesti
– Mikä on käyttäjän todellinen tilantarve ja tilojen käyttöaste?
– Huomioitava muuttuvat elämäntilanteet ja tilojen mahdollinen muunneltavuus
– ”Hukkaneliöiden” karsiminen hyvällä suunnittelulla
2.4 Rakennuksen kerrosluku
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen
Vaikuttaa vaipan määrään
Huomioitava:
– Kerrosluku ei useinkaan ole vapaasti valittavissa, vaan sitä ohjataan kaavassa
– Kaksikerroksisessa talossa on suhteellisesti enemmän vaipaa yksikerroksiseen verrattuna (kun bruttoala on sama, nettoala pienenee. Myös porras vähentää käytettävää huoneistoalaa)
– Tilajärjestelyjen kannalta useammat kerrokset saattavat olla joko perusteltuja tai ongelmallisia, riippuen tapauksesta
– Kellari parantaa laskennallisesti energiatehokkuutta mutta samalla lisää myös energiankulutusta, ks koko
2.5 Rakennuksen tilavuus
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen, ilmanvaihdon määrään, lämmitystarpeeseen jne.
Huomioitava energiatehokkuuden kannalta:
– Mitä isompi Ilmatilavuus, sen enemmän kuluu energiaa.
– Tilavuus ei vaikuta E-luvun laskentaan mutta todellisuudessa se vaikuttaa energiankulutukseen (Energiankulutus lasketaan /m²)
– Tilavuus vaikutta vaipan määrään
Huomioitava arkkitehtuurin kannalta:
– Tilavuuden suhde lattian pinta-alaan, huoneen miellyttävät mittasuhteet
– Ylikorkeiden tilojen välttäminen
2.6 Ikkunat
Vaikuttaa passiivisen aurinkoenergian saantiin, valon määrään, varjostuksen tarpeeseen, johtumishäviöiden määrään, jäähdytystarpeeseen.
Huomioitava:
– Ikkunoiden koolla on neljänlaisia vaikutuksia energiatehokkuuteen:
1. Ikkunoiden johtumishäviöt ovat muuta seinärakennetta suuremmat, lämpöhäviöt kasvavat
2. Toisaalta ikkunoiden kautta saadaan merkittävä osa rakennukseen passiivisesta lämpöenergiasta. Vaikuttaa sisäisiin lämpökuormiin, vähentää lämmitystarvetta
3. Saattaa aiheuttaa ylikuumenemista (ilman varjostusta) ja samalla lisätä jäähdytystarvetta joka taas heikentää rakennuksen energiatehokkuutta
4. Vaikuttaa päivänvalon määrään ja siten valaistukseen kuluvan energian määrään
– Ikkunoilla on erityisesti arkkitehtonisia eli viihtyisyyteen vaikuttavia arvoja; valoisuus, näkymät ulos ja ulkoa sisälle, tilan tuntu
– Ikkunat ovat olennainen osa arkkitehtonista kokonaisuutta, massoittelua, sommittelua ym. rakennuksen esteettisyyteen vaikuttavia tekijöitä
– Päivänvalon määrään voidaan vaikuttaa ikkunoiden sijoittelulla seinässä, ikkunan suuntauksella, muodolla, sijainnilla seinärakenteessa
© Malin Moisio
Ikkunoilla on erityisesti viihtyisyyteen vaikuttavia arvoja; valoisuus, näkymät ulos ja ulkoa sisälle, tilan tuntu.
Talo Saunaranta, Nokia. Kuva: Tuomas Uusheimo
2.6.2 Ikkunoiden tyyppi
Vaikuttaa passiivisen aurinkoenergian saantiin, johtumishäviöiden määrään, varjostuksen tarpeeseen, jäähdytystarpeeseen
Huomioitava:
– Kehäkerroin, läpäisykerroin (g-arvo), U-arvo
– Lasityypit, selektiivikalvot, argonkaasut ym.
– Tuuletusmahdollisuus
– Aurinkosuojaus, muunneltavat/kiinteät
– Ikkunan sijainti suhteessa eristeeseen
2.6.3 Ikkunoiden sijoittelu ja suuntaus
Vaikuttaa passiivisen aurinkoenergian määrään, valon määrään, varjostuksen tarpeeseen, jäähdytystarpeeseen
Huomioitava:
– Ikkunat eri ilmansuuntiin, passiivisen aurinkoenergian hyödyntäminen
– Varjostukset
– Maisemat, näkymät ulos ja ulkoa sisälle
ks. ilmansuunnat, tilajärjestelyt, sijainti ja paikka
Ikkunoiden koko ja suuntaus on aina seurausta muista ominaisuuksista kuten tilajärjestelyistä ja tontin olosuhteista
2.6.3 Ikkunoiden varjostus
Vaikuttaa passiivisen aurinkoenergian määrään, valon määrään, jäähdytystarpeeseen
Huomioitava:
– Pääsääntöisesti kiinteät varjostukset huonontavat energiatehokkuutta
– Talvella kaikki mahdollinen passiivinen energia on saatava hyödynnettyä
– Kesällä tämä energia aiheuttaa jäähdytystarvetta ja on haitaksi energiatehokkuudelle
– Energiatehokkaat varjostukset ovat passiivisia ja muunneltavia talvi- ja kesäaikaan
– Vanhat hyvät, muuntuvat varjostuskeinot kuten lehtipuut ja säädettävät ikkunaluukut toimivat edelleen
Varjostuksissa huomioitava myös:
– Varjostimien ulkonäkö
– Mahdollinen integrointi rakenteeseen
– Parvekkeet ja katokset passiivisina varjostimina
3 Rakenteet
3.1 Rakenteiden U-arvot
Vaikuttaa johtumishäviöihin, lämpökuormien hyödyntämisasteeseen, jäähdytystarpeeseen.
Vaikuttaa rakenteiden toimivuuteen
Huomioitava:
– U-arvot: ulkoseinät, yläpohja, alapohja, ikkunat, ovet
– Teknisesti toimivat rakenteet
3.2 Rakennuksen sisäpuolinen tehollinen lämpökapasiteetti eli rakenteiden ”massiivisuus”
Vaikuttaa rakennuksen kykyyn varata lämpöä,
Vaikuttaa passiivisen aurinkoenergian ja muiden lämpökuormien hyödyntämisasteeseen, jäähdytystarpeeseen.
Huomioitava:
– Massiiviset rakenteet ovat energiatehokkaampia kuin kevyet
– Passiivisen aurinkoenergian hyödyntäminen ja varaaminen massiivisiin rakenteisiin
Passiivisen aurinkoenergian hyödyntäminen massiivisiin rakenteisiin
Kuva: Edward Mazria: The Passive Solar Energy Book
3.3 Rakenteiden tiiveys
Vaikuttaa rakennuksen vuotoilman määrään, lämpöhäviöihin, ilmanvaihdon tarpeeseen
Huomioitava:
– Mitä parempi ilmatiiviys, sen parempi energiatehokkuus
– Kerrosluku vaikuttaa laskentaan (kerroslukukerroin), vuotoilman määrä kasvaa useampikerroksisissa rakennuksissa
– Ilmatiiviys on mitattava tai käytettävä arvoa 4.
3.4 Kylmäsillat
Vaikuttaa rakenteiden johtumishäviöihin
Huomioitava:
– Kylmäsillat: ulkonurkat, sisänurkat, ikkunoiden kehät, ovien kehät, yläpohjan ja ulkoseinän liitos, alapohjan ja ulkoseinän liitos, välipohjan ja ulkoseinän liitos
– Rakenteiden väliset liitokset, käytetyt materiaalit, liitoskohtien pituus
– Sisänurkat vähentävät lämpöhäviöitä laskennalliseti
4 Tekniset järjestelmät /olosuhteet
4.1 LVI
4.1.1 Lämmitys
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen ja sisäisiin lämpökuormiin
Huomioitava:
– Lämmitysmuoto (energiamuodon kerroin vaikuttaa erityisesti E-lukuun)
– Lämmitysjärjestelmän energiankulutus ja sähkönkäyttö
– Lämmöntuotto, laitteiden hyötysuhteet
– Lämmön varastointi, varaajan koko ja eristys
– Lämmönjakojärjestelmä, hyötysuhde. Putkivetojen pituus ja eristys
– Lämmönluovutus, hyötysuhde
– Toivotut lämpöolosyhteet, lämpötilan asetusarvot
– Lämpöpumput
– Varaavat takat
– Käyttäjän vaikutus (ei vaikuta E-lukuun)
4.1.2 Lämmin käyttövesi
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen
Huomioitava:
– Lämpimän käyttöveden valmistus, jakelu, kierto ja varastointi
– Varaajan koko, eriste, sijainti
– Kiertovesijohto, pituus, eristys, sijainti
– Käytetyn veden määrä, vesikalusteiden määrä ja laatu
– Lämpötilan asetusarvot
– Jäteveden käsittely, lämmön talteenotto
– Käyttäjän vaikutus (ei vaikuta E-lukuun)
4.1.3 Sisäilman laatu, ilmanvaihto
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen
Huomioitava:
– Ilmanvaihdon ilmavirta, määrä ja laatu, sisäilmaolosuhteet
– Ilmanvaihdon lämmöntalteenoton hyötysuhde
– Putkivedot, ilmamäärät
– Tuloilman laatu, lämpötilan asetusarvot
– IV-koneen sähköteho
4.1.4 Jäähdytys
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen
Huomioitava:
– Jäähdytysjärjestelmän tarve
– Passiiviset viilennyskeinot: säädettävät luukut ja ritilät, yötuuletus
– Maakylmä
– Käyttäjän vaikutus (ei vaikuta E-lukuun)
4.1.5 Energia
Huomioitava:
– Ilmaisenergioiden hyödyntäminen; sisäiset lämpökuormat
– Uusiutuvat energianlähteet; tuuli, aurinko, maalämpö, puu
– Passiivinen aurinkoenergia ja sen hyödyntäminen eri tavoin
– ”Aktiivinen” aurinkoenergia: aurinkosähkö, aurinkolämpö
– Tulevaisuuden järjestelmät ja niihin varautuminen, elinkaari
– Muunneltavuus ja mukautuvuus, varaukset
– Teknisten laitteiden elinkaari on muuta rakennusta lyhyempi
– Vaikuttaa E-lukuun energiamuotojen kertoimien kautta
4.2 SÄHKÖ
Vaikuttaa rakennuksen energiankulutukseen
Huomioitava:
– Valaistusolosuhteet, sähkövalot/luonnonvalo
– Sähkönkulutus: laitteet ja kotitaloussähkö
– Laitesähkön hukkalämmön hyödyntäminen
– Käyttäjän vaikutus, esimerkiksi piha-alueiden sulatus, autojen lämmitys (ei vaikuta E-lukuun, valaistus ja kuluttajalaitteet lasketaan standardiarvoilla)
Kuva: Diplomityö Malin Moisio
Arkkitehtuurin vaikutus pientalon energiatehokkuuteen, Talo Saunarnata ja 47 variaatiota
© Malin Moisio 2019
Lisätietoja:
COMBI -hankkeen tutkimusjulkaisu (PDF): Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjekortisto, Moisio M., Kaasalainen T., Lehtinen T., Hedman M., Tampere 2018
Artikkeli: Potential of space zoning for energy efficiency through utilization efficiency. 23 p. Lindberg, Taru. Kaasalainen, Tapio. Moisio, Malin. Mäkinen, Antti. Hedman, Markku. Vinha, Juha. (2018) Advances in Building Energy Research. Taylor & Francis.
Diplomityö (PDF): Arkkitehtuurin vaikutus pientalon energiatehokkuuteen, Talo Saunaranta ja 47 variaatiota, TTY 2010, Malin Moisio, Tampere 2010
Artikkeli (PDF): Rakentamisen energiatehokkuudesta julkaistu RY. Rakennettu Ympäristö-lehdessä 2/2011